機載SAR/MTI雷達系統設計技術研究

張倩 江凱 張衛華

摘 要：SAR/MTI雷達將SAR雷達的全天時、全天候的觀測特性和MTI體制雷達對地面目標良好的跟蹤性能結合，具備優越的戰場感知能力，已成為各國研究的熱點。文章對基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達系統設計進行了研究，論述了系統組成及特點，進行了雷達體制與工作模式設計，并給出了試驗結果。

關鍵詞：二維有源相控陣天線；實時處理；機載；SAR；GMTI；AMTI

1 概述

合成孔徑雷達作為一種主動式微波成像系統，已廣泛應用于軍事偵察、環境監測、土地資源管理等軍事及國民經濟領域[1]。合成孔徑雷達成像具有全天時、全天候、遠距離和寬測繪帶等優點，可以大大提高雷達的信息獲取能力；同時在戰場偵察方面，合成孔徑雷達地面動目標檢測功能可以偵察和監視敵方的戰略設備和部隊的運動情況，從而大大提高了成像雷達的戰場感知能力。在現代戰場監視雷達的研制中，將SAR雷達的全天時、全天候的觀測特性和MTI體制雷達對地面目標和低空目標良好的跟蹤性能結合，研制SAR/MTI模式雷達成為各國研究的熱點[3-4]。

國外最早開發的機載SAR/MTI雷達是美國的JSTARS系統，其作戰效能在近幾次局部戰爭中得到了充分驗證和發揮。此外，類似的系統還有英國的ASTOR、美國的Global Hawk（“全球鷹”無人機）及Predator（“捕食者”無人機）等。

國內的機載SAR雷達系統經過二十多年的發展已經具備了堅實的基礎，我們已經成功開發了機載SAR/MTI雷達樣機，并成功進行了機載校飛試驗，實現了多模戰場監視功能。

文章對基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達系統設計進行了研究，論述了系統組成及特點，進行了雷達工作模式設計，并給出了試驗結果。

2 系統組成及特點

機載SAR/MTI雷達系統由機載SAR/MTI雷達、數據鏈及地面站3個部分組成。機載雷達完成多模式戰場偵察監視功能，實時獲取戰場目標情報信息（包含固定目標圖像情報和運動目標點跡、航跡情報），并通過數據鏈實時下傳到地面站進行顯示及分發。

圖1 SAR/MTI系統原理框圖

機載SAR/MTI雷達組成框圖如圖1所示，分為機艙外、機艙內2個部分。機艙外設備為機腹下的船形天線罩內的雷達天線，機艙內設備包括低功率射頻單元、綜合處理單元和實時處理分機等。

天線采用二維有源相控陣天線，在方位向和俯仰向進行二維電掃，能夠保證雷達成像的靈活性及對低空或地面運動目標的快速搜索能力，提高了雷達的探測效率。

多功率射頻單元包括1路SAR接收通道、4路MTI接收通道、晶振模塊、功分網絡模塊、時鐘本振插件、波形倍頻插件、激勵源插件、接收監控插件等。

綜合處理單元包括A/D采集和時序模塊，其中A/D采集包括SAR通道采集和MTI通道采集。

實時信號處理單元由硬件以及嵌入式軟件組成，在硬件電路中包括DSP處理板、數字接口板等；嵌入式軟件由成像處理、動目標檢測等算法處理軟件組成。

在機艙內與地面站均設有指揮控制臺，實現任務規劃、指揮與控制通信、監視與圖像傳送等功能。

在進行機載SAR/MTI雷達系統設計時，考慮如下三個方面技術特點。

（1）采用二維有源相控陣天線。為滿足戰場監視的遠距離、高分辨率、多模式偵察工作的需要，系統必須要有足夠的功率口徑積，同時為保證多模式戰場監視所要求的寬視場覆蓋，選擇二維有源相控陣天線應該是目前最佳方案。

寬帶二維有源相控陣天線組成框圖，由可擴充陣列模塊（SAM）、波束形成網絡、延遲放大組件、波控、電源、環控、俯仰伺服控制等構成。

天線工作時由可擴充天線陣列模塊（SAM）完成天線的收/發、放大、幅相加權等基本功能；功分器構成方位向子波束形成網絡，實現子陣功能；延遲放大組件用來實現不同波位所需的時延控制和發射/接收信號放大；方位向全波束形成網絡用于實現發射時的功率分配和接收時的雙模工作方式，距離向（俯仰向）的信號的分配/合成在SAM中完成，所有這些工作過程都是在波控的控制下進行的。采用SAM思想實現二維有源相控陣天線組陣的好處是可靈活組陣，實現不同尺寸規模的二維有源相控陣天線，能適應多種載機平臺。寬帶二維有源相控陣天線還實現了在線校準和BIT檢測的功能，為實際使用維護創造了便利的條件。

（2）實時多模信號處理技術。SAR/MTI雷達系統中，實時處理分機完成實時動目標檢測處理與SAR成像處理的功能，SAR/MTI系統的多模信號處理算法研究及其實時處理實現是研究的核心內容。本系統SAR成像模式有條帶模式和聚束模式兩種，成像距離遠，距離走動與彎曲現象明顯，成像處理可以采用重疊子孔徑算法（OSA），波數域（ω-k）算法等技術。OSA算法是先進行子孔徑粗成像和誤差補償，然后對各個子孔徑粗分辨圖像進行相干處理，得到全孔徑高分辨圖像；ω-k算法可以精確成像，算法也簡單，但是需要進行stolt插值，算法的效率受到一定的影響，不過隨著硬件處理能力的增強，處理速度可以得到解決。此外，需要采用基于運動傳感器的運動補償和基于回波數據的運動補償相結合的補償方法，先采用前者獲得粗估值，再采用后者進行精確估計，可以得到高分辨率SAR圖像。動目標探測、跟蹤及定位正是SAR/MTI雷達有別于其它成像雷達的特色之處，在SAR/MTI雷達技術研究中一直處于非常重要的地位。MTI信號處理采用多通道處理技術。多通道MTI具有較好的地雜波抑制能力，能更好的進行動目標檢測，同時采用四個接收通道，可實現動目標的精確定位和測速。為了實現動目標檢測的實時處理，多通道動目標檢測處理主要關鍵技術包括通道均衡、雜波抑制、干涉儀定位等技術。通過通道均衡處理，提高雜波對消性能，從而提高目標檢測性能。同時需要考慮計算量，以達到實時處理硬件的要求。

（3）實時數據處理技術。在實現MTI信號處理之后，需要進行實時數據處理，實現對地面動目標的檢測、定位與連續跟蹤，形成航跡并疊加在實時SAR圖像或電子地圖上，并提取出目標特征信息，形成完整的戰場態勢圖，以供進一步的情報分析決策評估。地面動目標所處環境復雜，有嚴重的地雜波、雜波對消剩余引起虛警的飽和信號、干擾等因素，這些因素使得真實動目標檢測、跟蹤與定位具有很大技術難度。動目標的跟蹤需要針對不同掃描幀的動目標點跡數據進行目標關聯、分類，形成目標運動的航跡，并對目標運動的航跡進行平滑濾波，進一步可以預測目標在下一掃描幀的位置或狀態。目標關聯算法常用最大似然法的假設檢驗方法，平滑濾波及預測常用卡爾曼濾波算法。在目標檢測后的輸出數據里，會出現同一目標的數據存在于多個的距離～方位（或距離～多普勒）單元里，需要采用加權平均的方法凝聚成一個單元的數據，減少后續目標關聯跟蹤處理的計算量。

3 功能模式設計及試驗結果

SAR/MTI雷達系統設計時，充分考慮對地綜合監視特點，以及雷達成像與運動目標檢測同時工作需求，進行雷達體制選擇與系統工作模式設計。考慮目標包括地面各種運動目標、靜止目標和固定目標場景，需要從各種目標環境中檢測、識別目標，設計工作模式包括廣域GMTI模式、同時SAR/GMTI模式、條帶SAR模式、聚束SAR模式、滑動聚束SAR模式及AMTI模式等。雷達體制選擇和處理方式與面臨的雜波環境密切相關，不同的工作模式針對的目標類型不同，需根據不同模式所處的雜波環境對雷達體制和處理方式進行選擇分析。

（1）廣域GMTI模式。廣域GMTI屬SAR/MTI雷達最主要的功能模式，要求對地面慢速運動目標進行廣域監視，實現檢測并生成點跡、航跡。圖2為廣域GMTI模式實時獲取的地面動目標航跡顯示畫面，背景為電子地圖。對地面動目標的最小可檢測徑向速度（MDV）優于10公里/小時。

圖2 廣域GMTI模式實時航跡圖

圖3 同時SAR/GMTI模式實時處理結果

（背景為電子地圖）

（2）同時SAR/GMTI模式。同時SAR/GMTI是SAR/MTI雷達近些年發展的一個熱點，圖3中所示為同時SAR/GMTI模式下雷達顯示畫面，實現在SAR成像同時完成動目標檢測、定位功能，實時生成目標批號、距離、方位、經度、緯度和速度等情報信息。

（3）條帶SAR模式。條帶SAR模式分辨率有0.5米、1米和3米，均為實時成像。圖4為0.5米分辨率條帶SAR實時圖像，實時輸出的圖像均已經過地理編碼，易于進行圖像拼接及與數字地圖的疊加顯示等處理，得到圖像產品及典型目標的位置信息。

圖5 0.3米聚束SAR實時圖像

（4）聚束SAR模式。聚束SAR模式分辨率0.3m，也實現了實時處理。圖5為0.3米聚束SAR的實時處理圖像。

（5）滑動聚束SAR模式。除了定點聚束模式，系統還實現了滑動聚束SAR（聚束SAR模式與條帶SAR模式的混合模式），如圖6所示。滑動聚束模式的好處是可以擴大成像面積（方位向寬度增加）且分辨率不會降低，劣勢在于成像孔徑和時間上要長（與相同成像距離的定點聚束相比）。

圖6 0.3米滑動聚束SAR實時圖像

圖7 AMTI模式探測結果

（6）AMTI模式。SAR/MTI雷達實現AMTI功能是目前國際上的一個技術發展方向。本系統也實現了AMTI功能。圖7為AMTI模式空中飛行目標探測結果，在機載雷達幾分鐘的巡航過程中，一共發現了6批目標，其中最遠的目標距雷達286公里（圖中距離刻度單位5公里，方位刻度單位10°）。

4 結束語

SAR/MTI雷達是信息化戰爭條件下的最重要的傳感器之一，裝備有SAR/MTI雷達的偵察機與預警機、電子戰飛機合稱為機載情報系統的“鐵三角”，奪取戰場制地權、制空權、制信息權。文章對基于二維有源相控陣體制SAR/MTI雷達系統設計進行了研究，并給出了試驗結果，在一定范圍內能夠為有人機、無人機、臨近空間飛行器等多種平臺上的戰場監視雷達研制提供依據。

參考文獻

[1]劉永坦.雷達成像技術[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2001.

[2]黃勇.SAR圖像變化檢測及相關技術研究[D].電子科技大學，2006.

[3]陳琦.機載斜視及前視合成孔徑雷達系統研究[D].中國科學院研究生院（電子學研究所），2007.

[4]常越.基于ICA的SAR抗干擾技術研究[D].電子科技大學；2007.